Symbool | U | Protonen/elektronen | 92 |
---|---|---|---|
Groep | 6 | Isotopen | 235U, 238U |
Periode | Elektronenconfiguratie | [Rn] 7s2 5f4 | |
Blok | f | Elektronegativiteit | 1,7 (Pauling) |
Bij kamertemperatuur | vast | Atoomstraal | 138 10-12m |
Dichtheid | 19100 kg m-3 | Relatieve atoommassa | 238.03 |
Smeltpunt | 1127 oC (1400 K) |
Soortelijke warmte | 116 J kg-1K-1 |
Kookpunt | 3927 oC (4200 K) |
Warmtegeleidingscoëfficiënt | 21.9 W m-1K-1 |
Kernreactorbrandstof
Uraan (235U) is geschikt als brandstof (splijtstof) voor kernreactoren. Meestal wordt het toegepast in de vorm van het oxide UO2. Dit heeft een grote chemische stabiliteit en een hoog smeltpunt.
De splijtstof wordt verpakt in hulzen van roestvrijstaal, zirkonium of een legering van zirkonium.
Kernsplijting kan optreden als 235U-kernen neutronen invangen, bijvoorbeeld volgens:
235
92U + n --> 91
36Kr + 143
56Ba + 2n
Hierbij komt een grote hoeveelheid energie vrij, evenals nieuwe vrije neutronen. Deze kunnen op hun beurt ook weer kernen splijten. Onder de juiste omstandigheden kan zo een kettingreactie ontstaan.
Een voorwaarde is daarbij dat de splijtstof over voldoende splijtbare kernen moet beschikken. Dit is te realiseren door natuurlijk uraan te verrijken (zie tabblad 'bereiding') of door andere splijtbare kernen (bijvoorbeeld 233U of 241Pu) toe te voegen.
Een andere voorwaarde is dat de snelheid van de neutronen niet te groot is. In kernreactoren remt men daarom de neutronen af met behulp van een moderator, bijvoorbeeld water of grafiet.
Het vermogen van de reactor is te regelen via de hoeveelheid beschikbare neutronen. Daarvoor wordt gebruik gemaakt van regelstaven van een sterk neutronenabsorberend materiaal (zoals cadmium-, hafnium- of boorverbindingen).
In de splijtstofstaven zelf mogen juist geen neutronenabsorberende stoffen aanwezig zijn. Om dit te bereiken zijn speciale scheidingsmethoden voorhanden, zoals ionenwisseling en vloeistof-vloeistofextractie. Daarmee zijn de concentraties cadmium-, hafnium-, gadolinium- of boorverbindingen te verlagen tot onder 0,1 ppm.
Bij gebruik in de reactor stijgt de concentratie van neutronenadsorberende stoffen in de splijtstofstaven. Deze worden daarom regelmatig vervangen. De gebruikte staven gaan naar een opwerkingsfabriek
Bij het splitsen van 235U-kernen komt ongeveer 1 à 2,5 miljoen keer zoveel energie vrij als bij verbranding van vergelijkbare hoeveelheden fossiele brandstof.
De eerste kernreactor (foto) werd op 2 december 1942 onder leiding van de Italiaans-Amerikaanse natuurkundige Enrico Fermi in gebruik genomen op de Universiteit van Chicago. Er werd 6 ton uraan , 50 ton uraanoxide en 400 ton grafiet voor gebruikt. Vanwege het stralingsgevaar heeft de reactor maar korte tijd gewerkt, maar lang genoeg om te bewijzen dat het mogelijk was een kettingreactie te onderhouden en grote hoeveelheden energie vrij te maken.
Ook 233U kan als splijtstof voor kernreactoren dienen; zie hiervoor element 90 - thorium.
Kernkweekmateriaal
Een kweekreactor produceert niet alleen energie maar ook nieuw splijtbaar materiaal. Dit betekent dus een vergroting van de hoeveelheid winbare energie per gram benut uraan. Uiteindelijk kan dit wel een factor honderd vergroot worden.
Uit uraan-238 is volgens onderstaande route plutonium-239 te kweken:
238
92U + n --> 239
92U
239
92U --> 239
93Np + e
239
93Np --> 239
94Pu + e
In een kweekreactor mogen de vrijkomende neutronen niet worden geremd; alleen snelle neutronen produceren voldoende plutonium.
Contragewicht
Uraan heeft een hoge dichtheid. Een kubieke decimeter (een liter) weegt meer dan negentien kilo, dat is bijna twee keer zoveel als lood. Het is (als verarmd uraan - uraan238) veel toegepast als contragewicht in het staartstuk van vliegtuigen. In oudere types van de Boeing 747 werd daarvoor ongeveer 400 kg verarmd uranium verwerkt. De laatste jaren wordt uraan steeds meer vervangen door wolfraam.
Ook in helikopters en raketten vind je verarmd uraan. En in munitie, onder andere in de koppen van anti-pantsergranaten en in kogels. Door de grote dichtheid hebben granaten en kogels met een relatief kleine diameter hetzelfde effect als veel grotere projectielen van ander materiaal.
Gyrokompas
Bij de navigatie van schepen maakt men gebruik van een gyrokompas. Daarin bevindt zich een zeer snel draaiende tol (6.000 - 24.000 omwentelingen per minuut), waarvan de as zich richt naar de aardas. Een tol met een grote traagheid maakt het kompas minder gevoelig voor de bewegingen van het schip. Daarom wordt materiaal gebruikt met een zeer grote dichtheid, zoals verarmd uraan.
Glaskleuring
Uraanverbindingen geven glas een gele of geelgroene fluorescerende kleur. Deze methode van glaskleuring bestond al in de tijd van de Romeinen. In Napels is uraangekleurd glas gevonden uit het jaar 79.
Meer toepassingen
Als element en in legeringen
- atoombom
- bepantsering (legeringen met verarmd uraan)
- beschermend metaal tegen straling, in de luchtvaartindustrie en in ziekenhuizen
- raketonderdelen
- röntgenbuis
In verbindingen
- contrastmiddel bij elektronenmicroscoop UO2(CH3COO)2
- kleurstof voor porselein UO2 diverse uraanzouten
- ouderdomsbepaling (via de verhouding van 233U, 235U en 238U)
- verven van textiel UO2(NO3)2 .